北極と南極周辺の極寒の海域で生き残るために、海洋生物は致命的な寒さに対する多くの防御を進化させました。一般的な適応の 1 つは、血液、組織、細胞内で氷の結晶が成長するのを防ぐ不凍タンパク質 (AFP) を作る能力です。これは、魚だけでなく、植物、菌類、バクテリアでも繰り返し独立して進化してきたソリューションです。
したがって、大西洋と太平洋の最北端に生息するニシンとワカサギという 2 つのグループの魚が両方とも AFP を生成することは驚くべきことではありません。しかし、2 億 5000 万年以上前に祖先が分岐し、それらに関連する他のすべての魚種にはこの遺伝子が存在しないため、両方の魚が同じ AFP 遺伝子を持っていることは非常に驚くべきことであり、奇妙でさえあります。
Trends in Genetics の 3 月の論文 この遺伝子は、ニシンからの直接の水平伝達によってワカサギのゲノムの一部になったという非正統的な説明を保持しています。多くの失敗した試みが示しているように、ニシンとワカサギは交配できないため、交配によるものではありませんでした。ニシンの遺伝子は、通常の性的経路の外でワカサギのゲノムに入り込みました。
オンタリオ州のクイーンズ大学の分子生物学者であり、論文の主執筆者であるローリー・グラハムは、ある魚から別の魚への遺伝子の直接伝達を主張することで大胆な主張をしていることを知っています.この種の DNA の水平移動は、かつて脊椎動物はおろか、どの動物にも起こるとは想像されていませんでした。それでも、彼女と彼女の同僚がワカサギを研究すればするほど、証拠が明らかになります。
ワカサギも独特ではありません。さまざまな動物 (他の魚、爬虫類、鳥、哺乳類) に関する最近の研究は、同様の結論を示しています。かつては微生物のみに限定されると考えられていた DNA の水平遺伝は、生命の木全体の枝で発生します。
オレゴン州ポートランドにあるリード カレッジの進化ゲノミストであるサラ シャークは、これらの水平移動の事例には、科学者の間でさえも「かなり大きな驚きの要素」があると考えています。真核生物。」しかし、ワカサギの発見やその他の最近の例はすべて、水平移動が進化に影響力のある役割を果たしていることを示しています.
上流の戦い
2000 年代初頭、Graham は研究室のリーダーである Peter Davies の指導の下で AFP を研究していたとき、ワカサギのタンパク質の遺伝子が、ニシンによって生成される不凍遺伝子の 1 つに驚くほど似ていることに気付きました。遺伝子のイントロン (一般にコード領域よりも速く変異する非コード DNA のストレッチ) は、95% 以上同一です。 「私たちが思いついた唯一の結論は、遺伝子が水平に伝達されたということでした」と彼女は言いました.
しかし、チームが調査結果を公開しようとしたとき、彼らは大きな反対に直面しました。 「私たちはそれをジャーナルに次から次へと送信しましたが、それを得るために本当に戦わなければなりませんでした」と彼女は回想します。彼らのタイミングはおそらく不運でした。 2001年、新たに配列決定されたヒトゲノムを説明する主要な論文の1つが、いくつかの動物ゲノムとの比較に基づいて、細菌からの水平遺伝子伝達の驚くべき主張を行いました.これらの主張は、生命の木のバクテリアとヒトの間の種の系統がかつて遺伝子を持っていたが、それらを失ったことを示す研究によってすぐに反論されました.
「それから私たちはやって来て、これを公開しようとしましたが、人々が『これらの主張はばかげている』と言っている状況でした」とグラハムは言いました.論文が 2008 年に PLOS ONE によって最終的に公開された後も 、結論は疑わしい。 「おそらく、私たちの分野の人々の約半数が『ああ！これは本当にクールだ!」と残りの半分は言いました。私たちはあなたを信じていません」と彼女は言いました.
真核生物の水平移動に対する障壁は克服できないように見えたので、彼らの発見に対する不信は理解できました。水平移動は、DNA が細胞質内にある細菌では一般的で簡単です。 DNA 断片が細菌の細胞壁と膜を通り抜けることができれば、ゲノムへの統合を妨げるものはほとんどありません。しかし、真核生物はゲノムを第 2 の壁である核内に閉じこめたままにしており、ほとんどの場合、その DNA は染色体にしっかりと凝縮されており、ゲノムへのスプライシングの機会が制限されています。さらに、水平移動が真核生物種に定着するためには、細胞の DNA に統合することはできません。それは最終的に生殖細胞になり、子孫に受け継がれ、一般集団に存続する必要があります。この一連の出来事は、多くの科学者にとって非常にありそうもないことでした.
思いとどまることなく、グラハムと彼女の同僚はより深く調査しました。バクテリアのワカサギゲノムの大きな塊をクローニングすることで、彼らはワカサギが AFP 遺伝子を 1 つしか持っていないことを突き止めた。公開されたゲノム配列を持つ他の魚の対応するゲノム領域を調べたところ、ワカサギの AFP 遺伝子に隣接する一連の遺伝子がそこにあったにもかかわらず、AFP 遺伝子の痕跡はなく、機能していないものさえも見つかりませんでした。 「それは、これが入ってきたものであることを示唆していました。それはワカサギの新しい到着でした」と彼女は説明しました。 「それでも、『いいえ、私たちはそれを買いません』と言う人がいました。」
最後に、2019 年に、ニシンのゲノムの全配列が公開されました。これにより、チームは AFP 遺伝子の周囲の配列をよりよく調べることができました。その一部は、ゲノムに自分自身をコピーして貼り付けることができる可動性の DNA チャンクである、転移因子 (TE、またはトランスポゾン) であると思われました。ニシンのゲノムには、これらの TE のコピーが多数含まれていますが、他の魚には存在しません。1 つの明らかな例外があります。それらのうちの 3 つは、ニシンの AFP 遺伝子の周囲で見られるのと同じ順序で、ニジワカサギの AFP 遺伝子に隣接しています。
グラハムは、これらの配列は、ニシンの染色体の小さな塊がワカサギの体内に侵入したことを示す「決定的な証拠」であると考えています。 「誰かがこれに異議を唱えたいのなら」と彼女は言いました。
この研究には関与していない、コーネル大学のゲノム生物学者であるセドリック・フェショーテも同意見だ。 「データを見ると間違いないようです」と彼は言いました。しかし、彼が本当に興味をそそられたのは、この発見が、彼や他の人たちが行っている転位因子や新しい遺伝子の出現に関する研究といかにうまく一致しているかということです.
たとえば、全米科学アカデミー紀要の 2008 年の研究では、 、彼と彼の同僚は、哺乳類のいくつかの種、爬虫類、両生類を含む、脊椎動物の異なるグループで見つかった新しい種類のTEを特定しました。これらの TE は、これらの種で 96% 以上同一でしたが、調べた他のゲノムには奇妙なことに存在しませんでした。要素はどこからともなく突然現れたように見えたので、Feschotte と彼の同僚はそれらをスペースインベーダー (SPIN) 要素と呼び、それらが最近さまざまな系統の間で水平方向に移動したに違いないと結論付けました。これらの TE は、新しい宿主の単なる遺伝的ノイズではありませんでした。たとえば、マウスは、SPIN 要素の酵素を取り込むことによって、まったく新しい機能遺伝子を取得していました。
2008 年の SPIN 論文以来、動物間の何千もの水平 TE 転送が報告されています。グラハムの AFP 遺伝子と同じように、これらの推定上の水平転送は最初は驚きに見舞われましたが、その証拠は今では否定できません。
文脈上、水平転送は検出が難しい場合があることに注意してください。時間の経過とともに、元の系統とレシピエントの系統の両方にますます多くの突然変異が蓄積され、共有遺伝子の類似性が曖昧になります。遺伝子が水平伝達されたことを証明することは、それが他の近縁種にかつて存在し、その後進化によって失われたことがなかったことを証明することにも依存します。これは、それらの種の一部が絶滅した場合に困難になる可能性があります.
「実際の水平転送速度は、おそらく私たちが認識しているよりもはるかに高いでしょう」と Schaack 氏は述べています。
常に移動中
脊椎動物の細胞間で DNA がどのくらいの頻度でジャンプするかは誰にもわかりませんが、フランスのパリサクレー大学の進化生物学者である Clément Gilbert と彼の同僚は、最終的に GenBank で公開された 307 の脊椎動物ゲノムをスクリーニングしたときに、少なくとも 975 の転送を発見しました。そのデータで際立っているのは、これらの移動が魚間で圧倒的に発生していることです。転送のほぼ 94% は条鰭のある魚に関係していました。 3% 未満が鳥類または哺乳類に関与していました。
「これがどのように可能であるかについて、私はまだ非常に困惑しています」と彼は言いました.
1 つの説明は、有名なニシンの活発な産卵活動にかかっている可能性があります。 「飛行機で飛んでいて、彼らが産卵している海岸線を見下ろすと、水は乳白色です。これは、交尾プロセス中に放出される精子が非常に多いためです」とグラハムは言いました.それらの精子の大部分は、卵子を見つけられず、分解し、DNA を放出することができません。
彼女は、DNA が同じ地域で産卵する他の種の配偶子に付着し、受精中に卵細胞に引きずり込まれる可能性があると考えています。何十年もの間、遺伝子工学者は、精子を介した遺伝子導入と呼ばれる同様の技術を使用して、トランスジェニック生物を作成してきました。これにより DNA 挿入が成功するという保証はありませんが、成功する場合もあります。ほらね。あなたはトランスジェニック生物を手に入れました」とグラハムは言いました。これが、ニシンの AFP 遺伝子がワカサギに侵入した方法であり、Gilbert が魚で見た他の水平遺伝子伝達の数も発生した可能性があります.
しかし、それだけでは説明できません。遺伝子の水平伝達は、配偶子が誤った DNA を拾う機会が同じようにない動物にも現れます。
パラサイトのヒッチハイク
ある日、オーストラリアのアデレード大学でゲノム進化を研究している David Adelson は、同僚がオリーブ ウミヘビ (Aipysurus laevisAipysurus laevis ）。ガルブレイスは、いくつかの配列が爬虫類に見られる他のものとは関係がないことを発見していました.そこで、アデルソンとガルブレイスはさらに深く掘り下げました。
最終的に、彼らは、ウミヘビのゲノムへの TE の 7 つの水平移動の証拠を発見しました。提供者がどの種であるかを正確に特定することは困難でしたが、Adelson 氏によると、最もよく一致するのは魚であり、あるケースではサンゴでした。
グラハムの体外受精仮説は、これらのヘビには当てはまりません。 Adelson は代わりに、寄生虫の関与に賭けています。 「寄生虫は種から種へと移り変わり、興味深いライフサイクルを持ち、内部に存在する可能性があります」と彼は説明しました.陸生種における水平移動の研究も、寄生虫に関与している.
現在コロラド大学ボルダー校のポスドクである Atma Ivancevic は、Adelson の博士課程の学生でしたが、脊椎動物や他の種にわたる TE の進化の歴史をたどりました。彼女が特に興味を持ったのは、BovBs と呼ばれる TE でした。これは、動物間で斑状に分布する約 3,000 塩基対の小さな配列です。それらは牛といくつかの有袋類に見られますが、その間の哺乳類にはほとんど見られず、ヘビや他の爬虫類にも見られます。 . Ivancevic は、中間系統におけるこれらのトランスポゾンの喪失の証拠を探しましたが、何も見つかりませんでした.
その後、チームはさらに興味深いことを発見しました。ウシやヘビの BovB と非常によく似た BovB が、ダニやトコジラミにも見られたのです。研究によると、これらの刺すような寄生虫は、エキソソームと呼ばれる分泌小胞を介して宿主にウイルスを感染させることができます。 TE がエキソソームに到達する可能性がある場合、Ivancevic は、刺す寄生虫とそのエキソソームが共同で、ある宿主から別の宿主に TE を移すためのベクターとして機能する可能性があると考えています.
したがって、さまざまな種が寄生される頻度の違いは、それらが水平移動を拾う頻度に寄与する可能性があります。違いは、生理学や生化学のより基本的なことを反映している可能性もあります。特定の生物は、さまよっている DNA のチャンクがゲノムに定着するのを防ぐことについて、識別力が低い可能性があります。おそらく、魚の移動量の増加は、生息地というよりも、動物自体に関係しているのでしょう.
実際には、「答えは 1 つではありません」と Feschotte 氏は言います。 「それはすべてのほんの少しです。」それでも、これらの仮説を検証することは役に立ちます。この研究は、関連する潜在的な環境要因を明らかにするだけではありません。これらの転送がどのように行われるかを正確に解明するのに役立つ可能性があります.
DNA による攻撃
「自分の環境から DNA の断片を実際にどのくらいの頻度で取り込んでいますか?」シャックは尋ねた。 「たぶんたくさん。たぶん、私が思っている以上に。」このような伝達は、生殖細胞で発生しない限り、見過ごされる可能性があります。したがって、検出された転送イベントは、発生した転送の全数のごく一部に過ぎないはずです。
不安な可能性は、DNA の水平移動が常に発生する可能性があることです。たとえば、2020 PLOS Genetics 論文は、TEが蚊のゲノムに飛び込むだけでなく、蚊が運ぶフィラリア虫（線虫）を介して他の種に伝染する可能性があることを発見しました. 「私たちは何回蚊に刺されたことがありますか？」アデルソンは尋ねた。 「私の見解では、これは驚くべき速さで起こっています。 …私たちは常に砲撃を受けているに違いありません。」
水平移動の速度がどうであれ、進化の歴史に対するそれらの累積的な影響は否定できません。ワカサギに導入されたAFP遺伝子の効果をとります。 「ワカサギがこの遺伝子を取得するとすぐに、すぐに選択的優位性が得られたと考えています」とグラハムは言いました. 「その選択的優位性は、氷の海で凍死することではありません。」これは、ワカサギが北に広がり、北極で自由に行動できることを意味し、その生態系の構成を変化させました。
伝達可能な要素が「ジャンク」DNA として片付けられることがあるとしても、それらは劇的な影響を与える可能性があります。転位因子は、特に「すべてのゲノムにおける突然変異誘発の内部ソース」を表すため、「ゲノムの中で最も刺激的で、ダイナミックで、潜在的に影響力のあるセクター」であると Schaack 氏は述べています。貼り付けられたときに DNA を変更するだけでなく、反復配列で構成されているため、その存在自体が遺伝子組換えの可能性を高めます。
「なんでもいいので、トランスポゾンができること、そして行ってきたことの例を挙げましょう」と Feschotte 氏は述べています。 「新しい遺伝子、新しい調節配列を導入し、染色体を再編成します。名前を付けます。」彼は、天文学的な多様性の抗体を生成する免疫系の能力は、4 億年前にすべての有顎脊椎動物の祖先のゲノムに突然侵入した TE に由来するように思われることを指摘しています。
Gilbert は、TE がゲノムの新奇性の計り知れない源になり得ることに同意した。 「これらの要素が、垂直方向の進化だけでなく、水平方向の移動を通じて分類群間で多く移動するという事実は、水平方向の移動が重要な影響を与えることを意味します」と彼は言いました.
体細胞への移行は進化の行き止まりですが、個人の健康とフィットネスに影響を与える可能性があると、アデルソン氏は述べています。細胞のゲノムを変更すると、癌の増殖を引き起こすなど、生理学的な影響が生じる可能性があります。 「これらのことがどのような影響を与えるかについては、まったくわかりません」と彼は言いました。
今後の研究により、私たちの日常生活における DNA 転送率が定量化される可能性があります。単一細胞およびロングリードシーケンシングの最近の進歩により、リアルタイムで転送を確認するために必要な実験が手の届く範囲に置かれた、と Adelson 氏は述べた。 「誰かが蚊に刺されたDNAがヒトに移ったという報告が初めて出されれば、注目を集めるだろう」と彼は述べた.
進化モデリングと遺伝学の発展により、わずか 10 年前には見つけるのが難しすぎた古代の遺伝子伝達を最終的に探すことができるようになるかもしれません。ギルバートは、彼と彼の同僚が何百もの TE 転移を検出したのと同じように、全遺伝子転移について脊椎動物の木をスキャンできるほど十分な全ゲノムが配列決定されたと信じています。 「私たちはそれをやろうと考えてきました」と彼は言いました。 「やるしかない」
